吴奔
广东宏基管桩有限公司 528427
摘要：本论文主要研究不同的离心工艺制度对混凝土钻芯强度的影响。管桩的离心工艺制度主要由低速、中低速、中高速、高速四个阶段的离心转速（频率）、离心时间这两个因素组合而成。通过对成型管桩的电通量和吸水动力学参数的分析可知：当钻芯强度高时，PHC混凝土的电通量值较小，抗氯盐侵蚀能力强，内部毛细孔孔径尺寸更均匀。
关键词 PHC管桩；离心工艺参数；钻芯强度；电通量；吸水动力学系数
1 引言
随着我国经济的 迅速发展，建筑和房地产业也得到了迅速的发展，因此在建筑地基中所用的PHC管桩需求量迅速扩大，因此如何提高管桩的质量已成为当前研究的热点问题。PHC管桩所用的混凝土强度对管桩的质量起着至关重要的作用，而管桩生产中的离心工艺会影响离心混凝土的分层，余浆，这些因素都会影响管桩的强度，因此我们在这种背景下进行离心工艺参数对混凝土强度的影响研究具有重要的意义。对管桩离心工艺参数对管桩混凝土的钻芯强度进行研究具有重要的理论和实际意义。
2 试验基本方案
本论文主要是研究离心工艺制度对混凝土强度的影响，通过对前人研究成果的影响可知，低频离心时间、中高频离心时间、高频离心时间、中高频离心频率和高频离心频率对混凝土强度的影响比较大，因此本论文主要以这5个因素为变量设置24组离心工艺参数，每组离心工艺参数成型一根管桩，并在每根管桩上抽取9个钻芯试样，9个芯分别用于检测抗压强度（3个）、吸水动力学参数（3个）、电通量（3个）。根据强度测定结果值探索出管桩混凝土强度最高时各变量的最佳值，并根据电通量和吸水动力学参数的测定结果对管桩混凝土钻芯强度进行微观分析.
3 管桩离心工艺制度的确定
根据管桩离心工艺制度的分析和研究方法可确定本论文的离心工艺制度，见表2
表2管桩的离心工艺制度
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注：表5中的离心时间包括恒定频率时的时间和频率增加所需的时间，增加1hz所需的时间为2s。
在表2中，第一组离心工艺制度为基准离心工艺制度，第2～6组离心工艺制度为研究低速离心时间所用的离心工艺制度，第7～12组离心工艺制度为研究中高速离心速度所用的离心工艺制度，第13～16组离心工艺制度为研究中高频离心频率所用的离心工艺制度，第17～20组离心工艺制度为研究高速离心时间所用的离心工艺制度，第21～24组离心工艺制度为研究高频率离心频率所用的离心工艺制度。
4 试验测定结果
按照离心工艺制度成型管桩，然后在每根管桩上分别抽取9个钻芯试样，并测定各管桩的钻芯强度，电通量和吸水动力学参数，测定结果见表7。
表3试验测定结果
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从表3可以看出，第三组离心工艺参数的钻芯强度最高，电通量值最小，α值也较小。这说明管桩在此离心工艺制度下，密实性高，抗渗能力强，孔尺寸均匀，钻芯强度最高。因此在本论文设定的离心工艺之内，确定第3组离心工艺制度为最佳离心工艺制度。
5 不同离心参数对PHC混凝土的影响分析
5.1 低速离心时间对PHC混凝土的影响
（1）低速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响
根据前边的分析，采用第1～6组离心工艺制度来研究低速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响，并根据表3的测定结果可得低速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响，具体结果见图1。
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图1 低速离心时间对钻芯强度的影响
从图1可得，在181.1s到411.1s的低速离心时间范围之内，PHC混凝土的钻芯强度随着低速时间的增大而增大，到411.1s时，钻芯强度达到最大值，在411.1s后，若低速时间再增长，钻芯强度反而会随着低速离心时间的增长而下降。
低速离心过程的主要作用是使混合料在管桩的长度方向均匀分布；其次还会使管桩合模时部分被压死的混合料松解，这样就不会混合料成型后出现“蜂窝”现象，有利于管桩混凝土强度的提高；另外，低速离心过程还会使已经“假凝”的混合料再活化，这样就更利于混合料的均匀分布。因此随着低速时间的增长，混合料分布更加均匀，这样管桩混凝土在离心后密实度就会提高，钻芯强度也会提高。但是若低速离心时间过长，混凝土混合料反而会随着时间的增长而凝结，影响了混合料的离心密实过程，因此此阶段混凝土的强度反倒随着低速时间的增长而降低。
（2）低速离心时间对PHC混凝土抗渗性的影响
低速离心时间对PHC 混凝土抗渗性的影响主要是通过电通量的试验来评价的，根据表3可得低速离心时间对PHC混凝土电通量的影响，具体结果见图8。
从图2可看出，在181.1s到411.1s的低速离心时间范围之内，PHC混凝土的电通量随着低速时间的增大是减小的，而在411.1s后，电通量又会随着低速离心时间的增长而变大，在411.1s时电通量出现最低值。这说明随着低速时间的增长，混凝土的抗渗性是先增强，后减弱。
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图2低速离心时间对电通量的影响
由低速阶段离心作用可知，低速离心时间越长，混合料在管桩长度方向分布越均匀，这样有利于提高混凝土的密实度，密实度提高就会导致其抗渗能力增强，而使其电通量值变小；但低速时间过长，会使混合料凝结而影响混凝土的离心，使混凝土的分层更加严重，导致其密实度和均匀性降低，从而使其抗渗能力减弱，电通量值变大。
（3）低速离心时间对PHC混凝土孔结构的影响
低速离心时间对吸水参数λ和α的影响见图3和图4。
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图3低速离心时间对λ的影响 图4 低速离心时间对α的影响
从图3和图4可以看出，当低速离心时间小于411.1s时，吸水参数λ随着低速离心时间的增长而降低，而吸水参数α则随着低速离心时间的增长而增大；当低速离心时间大于411.1s之后，吸水参数λ随着低速离心时间的增长而增大，而吸水参数α则随着低速离心时间的增大而降低。因此可知，随着低速离心时间的增大，PHC混凝土的毛细孔孔径是先变小后增大，中间有最小值；而毛细孔的均匀性则是先变均匀，后又被分散。
分析可知，低速离心阶段主要是使混合料在管桩长度方向均匀分布，并使已假凝的混合料再活化。因此可知随着低速离心时间的增长，混合料分布更均匀，混合料的均匀分布会使大小不一的毛细孔也变得更均匀，所以α值会增大；同时混合料的均匀分布也会排挤出混凝土中大的毛细孔，而使毛细孔的孔径整体变小，所以λ值会变小。但是当低速离心时间过长，混凝土反而会随着时间增长而凝结，这样会影响后期离心阶段混凝土的流动，而使离心过程不够彻底，骨料、砂浆和水泥浆不能充分的沉降，这样会导致混凝土中的毛细孔孔径略微增大，孔径的均匀性变差，因此当低速离心时间过长时，λ值略增大，α值变小。
5.2 中高速离心时间对PHC混凝土的影响
（1）中高速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响
中高速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响见图5。
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图5中高速离心时间对钻芯强度的影响
从图5可以看出，在136.5s～256.5s的中高速离心时间之内，PHC混凝土的钻芯强度是随着中高速离心时间的增长而变大的；但当中高速离心时间大于256.5s后，其钻芯强度反而随中高速离心时间的增长而减小。因此从钻芯强度这个方面来讲，管桩混凝土有一个最佳的中高速离心时间，在最佳中高速离心时间内，混凝土的钻芯强度有最大值，而中高速离心时间偏高和偏低都会降低混凝土的强度。从图5可知，最佳中高速离心时间为256.5s。
管桩在中高速离心阶段会通过离心力的作用排挤出混凝土中的水和减少管壁混凝土的内外分层现象。当中高速离心时间过短时，不能充分排挤出混凝土中的水，并且不能使混凝土在横向方向均匀分布，因此不能提高混凝土的钻心强度；但当中高速离心时间过长时，混凝土会提早出现分层，增加了砂浆层的厚度，而减少了混凝土层的厚度。因此管桩会出现一最佳的中高速离心时间。
（2）中高速离心时间对PHC混凝土抗渗性的影响
中高速离心时间对PHC混凝土电通量值的影响见图6。
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图6 中高速离心时间对电通量的影响
从图6可知，在136.5s～256.5s的中高速离心时间之内，PHC混凝土的钻芯强度随中高速离心时间的增长而减小；但当中高速离心时间大于256.5s后，其电通量反而随中高速离心时间的增长而增大。当中高速离心时间为256.5s时，电通量有最低值。
由中高速阶段离心作用可知，当中高速离心时间过短时，不能充分排除出管桩混凝土中多余的水，且不能使混凝土在径向均匀分布，这样会使混凝土密实度降低，进一步就会导致PHC混凝土的抗渗能力降低；而当中高速离心时间过长时，则会导致混凝土的内外分层加重，影响了混凝土的密实性，同样也会导致PHC混凝土的抗渗能力降低。因此只有当中高速离心时间合适时，才会混凝土在径向均匀分布且又不会导致分层，这时混凝土的密实性最高，抗渗能力最强。
（3）中高速离心时间对PHC混凝土孔结构的影响
中高速离心时间对PHC混凝土吸水参数λ和α的影响见图7和图8。
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图7 中高速离心时间对λ的影响 图8 中高速离心时间对α的影响
从图7和图8可以看出，在136.5s～256.5s的中高速离心时间之内，吸水参数λ随中高速离心时间的增长而减小，吸水参数α随中高速离心时间的增长而增大；但当中高速离心时间在256.5s～316.5s之间时，λ值随中高速离心时间的增长而增大，而α值随中高速离心时间的增长而变小。
由中高速离心阶段的作用可知，当中高速离心时间过短时，混凝土中的水分不能充分排除，使其形成的毛细孔孔径较大，λ值较大；同时混凝土不能在管桩径向均匀分布，这将会导致混凝土不能形成均匀的毛细孔，α值较小。但当中高速离心时间过长时，则会使混凝土的内外分层加剧，也会使混凝土形成较大的毛细孔，使其λ值较大；内外分层加剧也会影响混凝土均匀性，使α值较小。因此，混凝土存在一最佳的中高速离心时间，使混凝土形成均匀的小毛细孔，这时的λ最小、α最大。
5.3 中高频离心频率对PHC混凝土的影响
（1）中高频离心频率对PHC混凝土钻芯强度的影响
中高频离心频率会混凝土钻芯强度的影响见图9。
从图9可以看出，钻芯强度随中高频频率的变化不大，这说明中高频离心频率对混凝土的钻芯强度影响不是很大。但是中高频阶段对混凝土的离心过程影响很大，因为中高频离心阶段有利于排出管桩混凝土混合料中的水和减少管壁混凝土的内外分层现象，合理的中速还可提高混凝土强度的3%～4%，从图10也可看出合理的中高速为39.12hz～40.86hz。
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图10 中高频离心频率对电通量的影响
从图10可以看出，电通量值随中高速离心频率的增加变化也不是很大，这主要是因为中高速离心阶段对其混凝土的密实性影响不大，混凝土的抗渗能变化不大，所以其电通量值变化也不大。
（3）中高频离心频率对PHC混凝土孔结构的影响
中高频离心频率对PHC混凝土吸水参数λ和α的影响见图11和图12。
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图11中高频离心频率对λ的影响 图12 中高频离心频率对α的影响
从图11 和图12 可以看出中高频离心频率对混凝土吸水参数λ和α的影响不是很大。中高速阶段主要是混凝土离心阶段的一个过度阶段，因此对混凝土的孔结构影响不大，λ和α值变化不大。
5.4 高速离心时间对PHC混凝土的影响
（1）高速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响
高速离心时间对PHC混凝土钻芯强度的影响见图13。
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图13高速离心时间对钻芯强度的影响
从图13可以看出，在334.8s～414.8s的高速离心时间之内，PHC混凝土的钻芯强度是随着高速离心时间的增长而变大的；但当高速离心时间在414.8s～494.8s之间时，其钻芯强度反而随高速离心时间的增长而减小。因此从钻芯强度这个方面来讲，管桩混凝土有一个最佳的高速离心时间，在此最佳高速离心时间时，混凝土的钻芯强度有最大值，而高速离心时间偏高和偏低都会降低混凝土的强度。从图13可知，最佳高速离心时间为414.8s。
高速离心阶段是管桩密实成型的主要手段和重要阶段，因此高速离心时间的长短对混凝土的钻芯强度高低影响很大。由第1章中离心工艺参数的分析可知，混凝土在高速离心阶段会产生各悬浮系统的沉降。当高速离心时间较短时， 各个悬浮系统的沉降过程不能充分进行，这就会使水不能沿着各悬浮系统沉降所形成的毛细孔而排出，导致混凝土的密实性降低；另外若高速离心时间过短，最后由于沉降不完全，从而使混凝土中水泥不能充分沉降，而使混凝土的余浆量增大，从而使其混凝土层变薄。因此可看出高速离心时间过短会使PHC混凝土的钻芯强度变低。但当高速离心时间过长时，又使混凝土产生严重的内外分层，从而使混凝土产生一定厚度的砂浆层，这会明显降低混凝土的钻芯强度。因此只有在一定的高速离心时间时，PHC混凝土才会有最高的钻芯强度，高速离心时间过长和过短，都会对其钻芯强度产生不利影响。
（2）高速离心时间对PHC混凝土抗渗性的影响
高速离心时间对PHC混凝土电通量值的影响见图14。
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图14 高速离心时间对电通量的影响
从图14可知，在334.8s～414.8s的高速离心时间之内，PHC混凝土的钻芯强度随高速离心时间的增长而减小；但当高速离心时间大于414.8s后，其电通量反而随高速离心时间的增长而增大。当高速离心时间为414.8s时，电通量有最低值。
由高速阶段离心作用可知，当高速离心时间过短时，混凝土中的各悬浮系统不能充分沉降，水分也不能充分排除，这样会导致混凝土的余浆量增大，密实性降低，从而使其抗渗能力下降，电通量值增大。但当高速离心时间过长时， PHC混凝土又会产生严重的分层，从而使混凝土的密实性和均匀性都下降，抗渗能力也会变差，电通量值也变大。因此存在一最佳的高速离心时间，使其抗渗能力最强，电通量值最小。
（3）高速离心时间对PHC混凝土孔结构的影响
高速离心时间对PHC混凝土吸水参数λ和α的影响见图15和图16。
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图15 高速离心时间对α的影响 图16高速离心时间对λ的影响
从图15和图16可以看出，在334.8s～414.8s的高速离心时间之内，吸水参数λ随高速离心时间的增大而降低，吸水参数α随高速离心时间的增大而增大；但在414.8s～494.8s的高速离心时间之内，吸水参数λ随高速离心时间的增大而增大，而吸水参数α值随高速离心时间的增大而变小。因此混凝土存在一最佳高速离心时间，使λ值最小，α值最大，最佳高速离心时间为414.8s。
由于高速离心阶段主要是进行混凝土的密实成型。在此阶段内，混凝土中的各悬浮系统分别进行沉降形成混凝土层。当高速离心时间过短时，混凝土不能进行充分的均匀密实，使混凝土形成的毛细孔孔径整体是较大的，λ值较大；同时各悬浮系统的沉降也不充分，这会使各固相相互搭接形成的毛细孔大小不一，α值较小。而当高速离心时间过长时，则会使混凝土产生严重的分层，也会形成孔径较大的毛细孔，使λ值较大；严重的分层会使混凝土中的毛细孔不均匀，α值也较小。因此存在一最佳高速离心时间使混凝土的均匀性最高，使λ值最小，α值最大。
5.5高频离心频率对PHC混凝土的影响
（1）高频离心频率对PHC混凝土钻芯强度的影响
高频离心频率对钻芯强度的影响见图17。
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图17 高频离心频率对钻芯强度的影响
从图17可以看出，在49.11hz～55.74hz的高频离心频率之间，PHC混凝土的钻芯强度随着高频离心频率的增大而增大。需要注意的是，本实验之所以没有继续增加离心频率来研究高频离心频率对钻芯强度的影响，主要是考虑到离心设备的承受能力，因为当离心频率过高时，会产生较大的振动力，从而会影响设备安全性。
高速离心阶段是混凝土成型密实的最主要阶段，当高频离心频率增大时，所产生的离心力也会变大，这会使混凝土中的各悬浮系统进行充分的沉降，并会使余浆量尽量的减少，从而使混凝土充分密实，钻芯强度增大。
（2）高频离心频率对PHC混凝土抗渗性的影响
高频离心频率对PHC混凝土抗渗性的影响见图18。
从图18可以看出，在49.11hz～55.74hz的高频离心频率之间，PHC混凝土的电通量值随着高频离心频率的增大而减小。其原因也主要是因为随着高频离心频率的增大，离心力变大，从而使混凝土的密实性提高，这会导致混凝土的抗渗能力增强，电通量值减小。
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图18 高频离心频率对电通量的影响
（3）高频离心频率对PHC混凝土孔结构的影响
高频离心频率对PHC混凝土吸水参数λ和α的影响见图19和图20。
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图19高频离心频率对λ的影响 图20高频离心频率对α的影响
从图19和图20可以看出，随高频离心频率的增加，吸水参数λ是没有规律的，时高时低；但吸水参数α是随高速离心时间的增加而增加的。
由高速离心阶段的作用可知，当离心频率增加时，离心力增加，混凝土的分层更加明显，这会使形成的毛细孔孔径更大，λ值变大，但混凝土中各悬浮系统沉降的更加充分，余浆量也会减少，这又会使形成的毛细孔孔径变小，λ值变小，所以λ值是没有规律的；但随着高频频率的增加，混凝土中毛细孔孔径是会越来越均匀的，α值是增大的。
6 结论
本论文通过对管桩进行不同的管桩离心工艺成型，并对管桩抽取钻芯试样进行钻芯强度，电通量和吸水动力学参数的检测，来研究离心工艺参数对PHC混凝土钻芯强度的影响，并通过电通量和吸水参数的测定结果，来研究离心工艺参数对混凝土内部结构的影响。根据试验的结果和分析，得出如下结论：
（1）保持其它参数不变，低速离心时间增长，钻芯强度随之提高；当低速离心时间为411.1s时，钻芯强度达到最高值；当低速离心时间大于411.1s后，钻芯强度反而随着低速离心时间的增加而降低。
（2）保持其它参数不变，中高速离心时间增长，钻芯强度随之提高；当中高速离心时间为256.5s时，钻芯强度达到最高值；当中高速离心时间大于256.5s后，钻芯强度反而随着中高速离心时间的增加而降低。
（3）保持其它参数不变，当中高频离心频率增加时，混凝土的钻芯强度，抗渗性和孔结构变化都不大。
（4）保持其它参数不变，高速离心时间增长，钻芯强度随之提高；当高速离心时间为414.8s时，钻芯强度达到最高值；当高速离心时间大于414.8s后，钻芯强度反而随着高速离心时间的增加而降低。
（5）保持其它参数不变，高频离心频率增加，钻芯强度增加，但由于设备安全性的因素，本论文未能找出钻芯强度最高时的高频离心频率值。
（6）钻芯强度高的混凝土密实性高，抗渗能力强，孔径尺寸较小，孔径尺寸大小均匀。
（7）在本论文设定的离心工艺范围之内，确定第三组离心工艺制度为最佳离心工艺制度，其具体参数见表8。
表8 最佳离心工艺制度
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参 考 文 献
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3 李论,李志隆.PHC管桩混凝土真实强度与标准试块混凝土强度之差异.混凝土与水泥制品，2002,4:22—23
4 严志隆,黄绍江,章杰春.PHC管桩用高强混凝土的品质控制中的几个有关问题的探讨.
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5 蒋元海.国家标准GB/T19496-2004《检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》编制说明.
广东建材,2004,4:8—22
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